CN109461801B - 在InGaN表面获得In量子点的方法、InGaN量子点及外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在InGaN表面获得In量子点的方法、InGaN量子点及外延结构。其中，该方法包括：在衬底上生长GaN缓冲层；在GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层；在非掺杂GaN层上生长InGaN层；以及保持反应室在N2氛围下将生长温度降低至一设定温度，将载气由N2变换成H2，继续降温，在InGaN层的表面获得In量子点。本方法获得的In量子点具有高的密度和非常好的尺寸均匀性，且生长工艺简单，为氮化金属液滴来获得InGaN量子点提供了均匀可靠的模板，推进了InGaN量子点在光电器件的实际应用。
Description
技术领域
本公开属于半导体技术领域，涉及一种在InGaN表面获得In量子点的方法、InGaN量子点及外延结构。
背景技术
近年来，GaN基半导体材料的制备技术取得了巨大的进步，大力推动了可见光波段发光二极(LED)、激光二极管(LD)等光电器件的快速发展。传统的GaN基发光器件采用极性面生长的InGaN/GaN多量子阱结构作为有源区。虽然目前来说极性面生长的GaN材料质量最高，但是由于极性面存在量子限制斯塔克效应(QCSE)，该效应使得量子阱结构中的电子-空穴辐射发光效率大幅降低，严重制约了发光器件性能的提升。而采用三维受限结构的InGaN量子点作为有源区，不仅可以减小QCSE效应，还具有高的热稳定性、驱动电流小、对缺陷不敏感等优点，可以显著提高光电器件的性能，于是InGaN量子点成为近些年来的研究热点。
目前，InGaN量子点的生长方法主要有三种，分别是选区生长、自组装生长和氮化纳米金属液滴。其中，选区生长技术虽然可以获得尺寸均匀、密度高的量子点，但是复杂的加工工艺会给量子点带来不可避免的额外损伤，同时其复杂的工艺也使得其难以实现实际的应用。而自组装生长法尽管具有生长工艺简单、制备的量子点缺陷少、质量高的优点，但其量子点的位置分布、尺寸和密度等参数离散较大导致其作为有源区时光谱有很大的展宽。近年来，也有人提出采用氮化纳米金属液滴来获得InGaN量子点，而这样的方法的难点在于如何获得均匀分布的纳米金属液滴，其分布和尺寸都会受到生长条件和设备的影响。
综上，目前的量子点制备方法很难获得高密度、高均匀性且高质量的InGaN量子点材料，因此，严重制约了InGaN量子点器件的发展与应用。有必要提出一种量子点制备方法，来获取高密度、高均匀性的InGaN量子点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种在InGaN表面获得In量子点的方法、InGaN量子点及外延结构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种在InGaN表面获得In量子点的方法，包括：在衬底上生长GaN缓冲层；在GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层；在非掺杂GaN层上生长InGaN层；以及保持反应室在N2氛围下将生长温度降低至一设定温度，将载气由N2变换成H2，继续降温，在InGaN层的表面获得In量子点。
在本公开的一些实施例中，InGaN层的厚度和组分在满足InGaN层发生弛豫的临界厚度内，以保证InGaN层不发生弛豫。
在本公开的一些实施例中，设定温度介于300℃～450℃之间。
在本公开的一些实施例中，衬底的材料为如下材料中的一种：蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。
在本公开的一些实施例中，InGaN层的材料为InxGa1-xN，其中In组分x为1％-35％连续可调。
在本公开的一些实施例中，InGaN层的厚度为2nm-50nm连续可调。
根据本公开的另一个方面，提供了一种InGaN量子点，其中，该InGaN量子点利用在InGaN层的表面获得的In量子点作为氮化金属液滴的模板而制得，其中，该In量子点采用本公开提到的任一种在InGaN表面获得In量子点的方法得到。
根据本公开的又一个方面，提供了一种外延结构，该外延结构包括：衬底；依次外延于衬底之上的GaN缓冲层、非掺杂GaN层和InGaN层；以及In量子点，分布于InGaN层之上；其中，该In量子点由InGaN层在一设定温度下将载气由N2变换成H2，继续降温而获得。
在本公开的一些实施例中，该外延结构中，衬底的材料为如下材料中的一种：蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；和/或，InGaN层的材料为InxGa1-xN，其中In组分x为1％-30％连续可调；和/或，InGaN层的厚度为2nm-50nm连续可调。
在本公开的一些实施例中，设定温度介于300℃～450℃之间。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的在InGaN表面获得In量子点的方法、InGaN量子点及外延结构，具有以下有益效果：
在衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、InGaN层，在生长完InGaN层后在N2氛围下开始降温，在温度降至设定温度之后将载气由N2变换到H2，并继续降温，在InGaN层的表面获得In量子点，该In量子点由InGaN层上表面均匀分布的富In层通过两步降温法的低温H2氛围来获得，具有高的密度和非常好的尺寸均匀性，且生长工艺简单，为氮化金属液滴来获得InGaN量子点提供了均匀可靠的模板，推进了InGaN量子点在光电器件的实际应用。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的在InGaN表面获得In量子点的方法流程图。
图2为根据本公开一实施例所示的含In量子点的外延结构剖面示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的在InGaN表面获得In量子点的方法中温度和载气随生长时间变化关系图。
图4为根据本公开一实施例所示的在InGaN表面获得的In量子点的AFM三维结构图。
【符号说明】
10-衬底； 20-GaN缓冲层；
30-非掺杂GaN层； 40-InGaN层；
50-In量子点。
具体实施方式
本公开提供了一种在InGaN表面获得In量子点的方法、InGaN量子点及外延结构，该In量子点由InGaN层上表面均匀分布的富In层通过两步降温法在H2氛围来获得，具有高的密度和非常好的尺寸均匀性，且生长工艺简单，为氮化金属液滴来获得InGaN量子点提供了均匀可靠的模板，推进了InGaN量子点在光电器件的实际应用。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，“介于之间”包括端点值；“InGaN层”和“InxGal-xN层”为同一概念，InxGa1-xN层清楚表明了In组分x的数值。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种在InGaN表面获得In量子点的方法。
图1为根据本公开一实施例所示的在InGaN表面获得In量子点的方法流程图。图2为根据本公开一实施例所示的In量子点的外延结构剖面示意图。图3为根据本公开一实施例所示的在InGaN表面获得In量子点的方法中温度和载气随生长时间变化关系图。
结合图1～图3所示，本公开的在InGaN表面获得In量子点的方法，包括：
步骤S11：在衬底上低温生长GaN缓冲层；
参照图2和图3所示，在衬底10上低温生长GaN缓冲层20，生长的GaN缓冲层20厚度的参考值为20nm-30nm，生长温度为550℃。
衬底10可以为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓，本实施例中，衬底为蓝宝石或氮化镓。
本实施例中，GaN缓冲层20的厚度为20nm。
步骤S12：在GaN缓冲层上高温生长非掺杂GaN层；
参照图2和图3所示，加热衬底，使温度从550℃升高至1050℃，在GaN缓冲层20上高温生长非掺杂GaN层30，非掺杂GaN层30的厚度为2μm，生长温度为1050℃左右。
步骤S13：在非掺杂GaN层上生长InGaN层，该InGaN层的厚度和组分在满足InGaN层发生弛豫的临界厚度内，以保证InGaN层不发生弛豫；
参照图2和图3所示，在生长完非掺杂GaN层30之后，紧接着在非掺杂GaN层30上生长InGaN层40，GaN缓冲层20和非掺杂GaN层30的表面应尽可能的平整，来获得比较好的InGaN层40生长表面，该InGaN层40厚度和组分在满足InGaN层发生弛豫的临界厚度内，以保证InGaN层40不发生弛豫。
本实施例中，InGaN层40的生长温度在710℃附近，为了保持InGaN层In的并入和质量，其生长温度应随In组分的增加而降低，InGaN层In组分从1％～35％变化时，其生长温度从800℃～650℃相应变化。本实施例中，InxGa1-xN层中In组分x为1％-30％连续可调。
本实施例中，InGaN层40的厚度可从2nm-50nm连续可调。
在其它实施例中，InGaN层40的厚度和In组分可以是其他数值，只要能保证应InGaN层不发生弛豫即可。
需要说明的是，步骤S11、S12、S13中的制备过程、反应条件等属于本领域比较成熟的技术，本领域技术人员可根据实际需要进行适应性设置，本公开实施例仅作为示例，列举的生长温度和厚度等并不限定本公开的保护范围。
步骤S14：保持反应室在N2氛围下将生长温度降低至一设定温度，将载气由N2变换成H2，继续降温，在InGaN层的表面获得In量子点；
参照图3所示，该步骤S14中，关掉所有的除载气N2之外的所有源，保持反应室在N2氛围下将生长温度降低至一设定温度，本实施例中，该设定温度介于300℃～450℃之间，将载气由N2变换成H2，继续降温，在InGaN层的表面获得In量子点。
温度选择在300℃～450℃是因为过高的温度会导致由H2与富In层反应产生的In离开InGaN表面，而无法在表面聚集成In量子点；而低的温度则会使得该反应无法顺利进行，同时低温时In原子的表面迁移率低，这些都会导致温度过低时无法在表面形成In量子点。
在低温时，H2与InGaN表面的富In层发生反应生成In量子点，同时，由于温度很低，H2不会与InGaN层进行反应，而富In层在表面有比较均匀的分布，因此可以获得均匀分布的In量子点。
在一实例中，根据本实施例所示的在InGaN表面获得In量子点的方法获得的In量子点进行了原子力显微镜(AFM)表征，图4为根据本公开一实施例所示的在InGaN表面获得的In量子点的AFM三维结构图，参照图4所示，在InGaN表面获得In量子点的尺寸具有高度的均匀性和较高的密度，量子点高度在40nm-50nm左右，底部直径为150nm左右，密度可达到6×108cm-2。
本实施例中，在InGaN层的表面获得的In量子点具有高度的尺寸均匀性和较高的密度，为氮化金属液滴来获得InGaN量子点提供了均匀可靠的模板。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种InGaN量子点，该InGaN量子点利用在InGaN层的表面获得的In量子点作为氮化金属液滴的模板而制得，其中，该In量子点采用本公开的在InGaN表面获得In量子点的方法得到。
本实施例中，在InGaN层的表面获得的In量子点具有高度的尺寸均匀性和较高的密度。
本实施例中，InGaN量子点可作为有源区，应用于发光器件中。
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种外延结构，参照图2所示，该外延结构包括：衬底10；依次外延于衬底之上的GaN缓冲层20、非掺杂GaN层30、InGaN层40；以及In量子点50，分布于InGaN层40之上；该In量子点50由InGaN层40在一设定温度下将载气由N2变换成H2，继续降温而获得。
综上所述，本公开提出了一种在InGaN表面获得In量子点的方法、InGaN量子点及外延结构，通过在衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、InGaN层，在生长完InGaN层后在N2氛围下开始降温，在温度降至设定温度之后将载气由N2变换到H2，并继续降温，在InGaN层的表面获得In量子点，该In量子点由InGaN层上表面均匀分布的富In层通过两步降温法在H2氛围获得，具有高的密度和非常好的尺寸均匀性，且生长工艺简单，为氮化金属液滴来获得InGaN量子点提供了均匀可靠的模板，推进了InGaN量子点在光电器件的实际应用。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种在InGaN表面获得In量子点的方法，包括：
在衬底上生长GaN缓冲层；
在GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层；
在非掺杂GaN层上生长InGaN层；以及
保持反应室在N2氛围下将生长温度降低至一设定温度，所述设定温度介于300℃～450℃之间，将载气由N2变换成H2，继续降温，在InGaN层的表面获得In量子点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述InGaN层的厚度和组分在满足InGaN层发生弛豫的临界厚度内，以保证InGaN层不发生弛豫。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底的材料为如下材料中的一种：蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述InGaN层的材料为InxGa1-xN，其中In组分x为1％-35％连续可调。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述InGaN层的厚度为2nm-50nm连续可调。
6.一种InGaN量子点，其中，该InGaN量子点利用在InGaN层的表面获得的In量子点作为氮化金属液滴的模板而制得，其中，该In量子点采用本公开权利要求1至5中任一项所述的在InGaN表面获得In量子点的方法得到。
7.一种外延结构，该外延结构包括：衬底；依次外延于衬底之上的GaN缓冲层、非掺杂GaN层和InGaN层；以及In量子点，分布于InGaN层之上；其中，该In量子点由InGaN层在一设定温度下将载气由N2变换成H2，继续降温而获得，所述设定温度介于300℃～450℃之间。
8.根据权利要求7所述的外延结构，其中，
所述衬底的材料为如下材料中的一种：蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；和/或，
所述InGaN层的材料为InxGa1-xN，其中In组分x为1％-30％连续可调；和/或，
所述InGaN层的厚度为2nm-50nm连续可调。
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